世界上首張黑洞圖像出爐:找到黑洞是前提,觀測可追溯到90年代

　　M87星系中心超大質量黑洞（M87*）的圖像，上圖為2017年4月11日的圖像，圖中心的暗弱區域即為「黑洞陰影」，周圍的環狀不對稱結構是由於強引力透鏡效應和相對論性射束（beaming）效應所造成的。由於黑洞的旋轉效應，圖片上顯示了上（北）下（南）的不對稱性

　　給黑洞拍張照

　　本刊記者/李明子

　　本文首發於總第894期《中國新聞周刊》

　　黑洞長什麼樣子？地球人從來沒有見過。

　　「研究黑洞十多年，最接近我對黑洞想像的是2014年電影《星際穿越》中卡岡都亞的樣子。」 中科院國家天文臺研究員、黑洞研究創新團組負責人苟利軍對《中國新聞周刊》說。

　　卡岡都亞是諾貝爾物理學獎得主、美國物理學家基普·索恩在科學的基礎上設計出來的一個黑洞。但科學從來都不僅僅止步於想像。如今，一個名為「視界面望遠鏡」（EHT）的國際合作項目決定給黑洞拍張照。來自全球30多個研究所的100多名科學家，利用分布於全球不同地區的8個射電望遠鏡，組成一個口徑尺寸相當於地球直徑的虛擬望遠鏡，來觀測黑洞的視界面。經過歷時兩年的觀測、數據分析與驗證，首張黑洞圖像終於在北京時間4月10日晚上9點公布：人類首次利用一個口徑如地球大小的虛擬射電望遠鏡，在近鄰巨橢圓星系M87的中心成功捕獲世界上首張黑洞圖像。

　　這個經常出現在科幻小說與電影中的神秘天體終於露出真容了。

　　手繪、電影與拍照

　　2008年，美國麻省理工學院海斯塔克天文臺助理主任夏普·多爾曼與同事們把位於美國夏威夷、亞利桑那和加利福尼亞的三個射電望遠鏡連接到一個系統中。在銀河系中心，他們探測到「一個不會消失的點」，開始觀察這個點周圍的黑洞跡象。後來，這一團隊越來越大，逐漸納入全球30多所天文臺、大學、研究機構和100多位科學家。他們把這個觀測項目命名為「視界面望遠鏡」，由多爾曼任負責人。

　　人們可以看見物體是因為有光線進入眼睛，但黑洞由於其強大的引力作用，就連光都無法逃脫，因此，它內部高度扭曲的時空也無法被人看見，「黑洞」的名字也由此而來。在黑洞周圍，光線不能逃脫的臨界半徑被稱為「視界面」，即視線所能達到的界面，這也就是多爾曼團隊所要觀測的目標。

　　苟利軍介紹說，通常將黑洞分為兩類，一類是恆星量級黑洞，相當於3~100個太陽質量，由大質量恆星坍縮形成；另一類是超大質量黑洞，具有幾十萬到上百億個太陽質量，通常被認為是在宇宙形成早期，由恆星量級黑洞合併和長期氣體吸積而成。

　　有時，恆星量級黑洞會將臨近恆星的氣體吸走，這些被吸附的物質並沒有直接掉入黑洞，而是圍繞黑洞中心高速運轉。劇烈的摩擦釋放出大量光和熱，形成色彩斑斕的吸積盤，將黑洞標記出來。當吸積氣體過多，一部分氣體在掉入黑洞視界面之前，在磁場的作用下沿轉動方向被拋射出去，形成噴流。

　　「吸積盤和噴流這兩種現象，因氣體摩擦產生了光與大量輻射，很容易被探測到，由此便能推測出黑洞的位置。」苟利軍告訴《中國新聞周刊》。但要確定一個天體是否為黑洞，還需要更多的測量和計算，理論上講，銀河系中有上億個恆星量級的黑洞，但目前已確認的只有20多個，以及四五十個黑洞候選體。

　　「視界面望遠鏡」項目拍攝的黑洞有兩個，一個是那個「銀河系中心不會消失的點」黑洞人馬座A*，另一個是5000多萬光年外的M87星系的黑洞。之所以選中它們，「是因為它們的視界面在地球上看起來是最大的」。不過，苟利軍解釋，雖然人馬座A*的視界面尺寸有2400萬千米，相當於17個太陽，但由於相距2.5萬光年，在地球上看，它只有針尖大小，如同站在地球觀看月球表面的一顆橙子。而位於M87星系的黑洞雖然距離更遠，但該黑洞質量更大，從地球觀測到的視界面大小與人馬座A*相差無幾。

　　多爾曼並不是第一個試圖還原黑洞樣貌的科學家。法國天體物理學家讓-皮埃爾·盧米早在1978年就拿出了第一幅黑洞視界面的圖像。不過，這不是一張真正意義上的照片，而是盧米手繪的。

　　擁有數學背景的盧米利用一款老式晶體計算機模擬出觀測者眼中的黑洞，然後像人形打卡機一樣，用鋼筆一個點、一個點地繪製出來。圖1顯示出一個扁平物質盤垂直墜入黑洞時可能發生的樣子，物質盤周圍的光因黑洞的強大引力而彎曲。整體看上去像是一頂畫了一半的草帽。

　　法國天體物理學家讓-皮埃爾·盧米1978年手繪了第一幅黑洞視界面的圖像。

　　在盧米之後，越來越多的人嘗試將黑洞具象化，並試圖搬上銀幕。在電影《星際穿越》中，卡岡都亞黑洞在其背後的恆星場上投下了黑色的陰影，後方的光線由於引力作用發生彎曲，在黑洞周圍形成明亮的氣體圓環，高速運轉的吸積盤在圖中成為橫亙在黑洞前的一道光帶。

　　「卡岡都亞是理想中的黑洞側視圖，現實中的吸積盤可能並不是薄薄一層，也可能因觀測角度的原因，與黑洞下方的氣體圓環出現交疊。」苟利軍對《中國新聞周刊》介紹說，根據他和其他天文學家的猜測，視界面望遠鏡所拍攝的可能是這樣一幅圖像：在黑洞周圍環繞著高速運轉的光子圓環，並無限接近視界面，同時，由於黑洞轉動的都卜勒效應，光子圓環一側較亮，另外一側較暗。

　　全球行動

　　找到黑洞的藏身之處是拍攝的前提。

　　「目前通常採用測量質量的辦法確認一個天體是否為黑洞。」苟利軍解釋說，如果一個緻密天體的質量大於3個太陽，一般就會確信其為黑洞。具體方式就是通過測量周圍天體與中心天體的距離及其轉動速度，再利用公式求得中心天體的質量。

　　測量工作並不容易。科學家們需要儘可能找到一些距離黑洞非常近的恆星，根據它們的運動軌跡推斷中心黑洞的質量。這對望遠鏡提出了更高要求：要觀測銀河系中心的微小區域，需要更大口徑的望遠鏡以提高圖像解析度，而銀河系中心的大量氣體塵埃會阻斷光學波段，因此需要穿透性能比較強的紅外波段或頻率更低的波段。

　　對黑洞人馬座A*的測量可以追溯到1990年代。從1994年到1996年，德國科學家在人馬座A*周圍觀測到39顆恆星，並算出黑洞質量約為240萬個太陽質量。但此次質量測量誤差較大。美國加州大學洛杉磯分校物理學和天文學教授安德烈婭·米婭·蓋茲同期也在觀測這一天體。利用口徑更大的望遠鏡和近20年的努力，她對黑洞人馬座A*做出了更為精確的測量:約410萬個太陽質量。

　　確定黑洞及其位置後，拍攝又遇到了新的問題。相較於恆星到黑洞的距離，黑洞自身的尺寸要小得多，至少是前者的十萬分之一，這使得單一望遠鏡很難達到拍攝黑洞所需的解析度。

　　天文望遠鏡的解析度取決於望遠鏡的口徑和觀測所用的波長，口徑越大、波長越短，解析度越高。為提高解析度，需要將多個望遠鏡聯合起來，同時觀測，以達到一架大望遠鏡的觀測效果，這其實就是視界面望遠鏡使用的「甚長基線幹涉測量技術」，簡稱VLBI。

　　所謂VLBI，即讓各射電望遠鏡採用的氫原子鐘保證時間同步，同時接收同一個射電源的信號，各自記錄在磁帶上，然後把磁帶的記錄一起送入處理機進行相關運算，求出觀測結果。

　　「虛擬望遠鏡的解析度大小取決於望遠鏡之間的最大距離，而不是單個望遠鏡口徑。」苟利軍說，所選的8個望遠鏡幾乎是全球僅有的同時擁有亞毫米波技術與VLBI技術的望遠鏡，分別位於南極、智利（2個）、墨西哥、美國本土、夏威夷（2個）和西班牙。其中，多數為單一望遠鏡，如夏威夷的麥克斯韋望遠鏡（JCMT），也有望遠鏡陣列；而智利的阿塔卡馬大型亞毫米波陣列，則由66個射電望遠鏡組成。

　　「位於南極的望遠鏡拉大了整個虛擬望遠鏡的口徑，大大提高了解析度，可以捕捉到更多細節。」苟利軍補充說，另一個十分重要的「望遠鏡」是位於智利的阿塔卡馬陣列，它提高了虛擬望遠鏡的靈敏度，對亮度較低的物體也能識別到。

　　中國望遠鏡沒有參與其中，是因為技術設備與國際先進水平還存在差距。苟利軍說，中國有兩個亞毫米波射電望遠鏡，分別位於青海省的德令哈市和西藏的羊八井鎮，但還不具備甚長基線幹涉測量技術。而位於中國貴州的「天眼」FAST在今年1月24日才具備參加深甚長基線幹涉聯網合觀測的能力。

　　「這是人類獲得關於黑洞的第一個直接視覺證據，證實了愛因斯坦廣義相對論在極端條件下仍然成立。」4月10日晚，參與國際合作的中方科學家、中國科學院上海天文臺臺長沈志強在「事件視界望遠鏡重大成果發布會」上說

　　不過，苟利軍透露說，在此次觀測黑洞的8個望遠鏡中，位於夏威夷的麥克斯韋望遠鏡是由中國科學院國家天文臺、韓國天文與空間科學研究所、日本國立天文臺和中國臺灣「中研院」天文與天體物理研究所共同管理運行的，中國一部分天文學者也通過這個機會參與到項目中。

　　即便理論很成熟，現實觀測中仍會遇到各種意外，各大洲的天氣狀況、技術的穩定性、海拔，甚至是交通狀況都可能影響觀測結果。在2015年《紐約時報》對多爾曼的報導中，他的兩位同事曾因在墨西哥城遭遇車禍而耽誤觀測，位於智利的射電望遠鏡也曾因為接收器失靈而被送回歐洲修理。

　　2017年4月5日~14日，視界面望遠鏡項目在其宣布給黑洞拍照後完成了首次觀測。由於地球公轉，觀測窗口期只有這10天左右，同時，由於各望遠鏡的科研排期，最終留給視界面望遠鏡觀測黑洞的時間只有4~5天。8個望遠鏡所在地的海拔都比較高，降雨較少，以避免大氣中水對觀測波段的影響。為達到同時觀測的效果，科學家們還會在每個觀測點提前校對好原子鐘時間。

　　「項目每晚上產生的數據可達2PB ，也就是2000TB, 相當於歐洲大型質子對撞機一年產生的數據量。」苟利軍介紹說，龐大的數據難以通過網絡進行傳輸，需要存儲在磁帶或硬碟上，因而南極望遠鏡的數據在度過了半年極夜期後才被送出。所有數據被送往美國海斯塔克天文臺和德國的馬普射電天文研究所，分別獨立匯總和分析。

　　科學家們對項目的期待遠不止於「首張黑洞照片」這個結果。中科院國家天文臺研究人員陸由俊解釋說，照片或將驗證愛因斯坦的廣義相對論，並幫助科學家研究黑洞的構造。

　　愛因斯坦的廣義相對論從理論上預言了一個大致圓形、由光子構成的黑洞影子。如果照片足夠清晰，展現出黑洞的所有細節，便能證實廣義相對論的預言，若與預言不同，則說明還有需要改進的地方。

　　照片同時為研究黑洞本身提供了素材，例如其吸積盤的形成過程，噴流的方向、速度和磁場強度等。「這將是目前為止最漂亮的一張黑洞照片，即使不能達到期待的清晰度，也將讓我們與黑洞本質更近一步。」 陸由俊對《中國新聞周刊》說。